Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Обезьяний пенящий вирус – это ретровирус, инфицирующий приматов. Он инфицирует их много тысяч лет, и филогенез пенящих вирусов и их хозяев-приматов демонстрирует конгруэнтность, типичную для совместной дивергенции и совместной эволюции вируса и хозяина. Так как сроки возникновения видов этих хозяев можно точно определить по ископаемым остаткам, скорость эволюции обезьяньего пенящего вируса была оценена в 1,7 × 10^–8 нуклеотидных замен на сайт в год (Malik, 2005). Такая низкая скорость эволюции беспрецедентна для ретровирусов и других РНК-содержащих вирусов, скорость эволюции которых на несколько порядков выше. Фундаментальные механизмы ретровирусной репликации обезьяньего пенящего вируса неизменны при сравнении с другими ретровирусами, поэтому следует допустить, что и скорость мутаций на геном будет такой же. Объяснение этой нестыковки может заключаться только в особенностях способа существования: инфекции обезьяним пенящим вирусом являются чрезвычайно летаргическими, вирус длительное время пребывает в организме хозяина в латентном состоянии. При меньшем числе повторных циклов репликации в единицу времени они просто медленнее эволюционируют. Способ существования тоже оказывает значимое влияние на эволюцию вирусов. Как мы увидим ниже в этой главе, передаваемые вирусы ограничены в своей эволюционной гибкости из-за необходимости соответствовать требованиям, дающим возможность инфицировать разные организмы-хозяева. Более того, недавние исследования показали, что существует соотношение между временем генерации клетки хозяина и скорости эволюции вируса; представляется, что вирусы, инфицирующие быстро делящиеся клетки, сами начинают эволюционировать быстрее (Hicks, Duffy, 2014). Вирусы, инфицирующие, например, эпителиальные клетки, обладают способностью эволюционировать быстрее.

В наше время существует общее понимание некоторых пристрастий, присущих вольному использованию молекулярных часов для предсказания эволюционной динамики (Duchene, Holmes, Ho, 2014). Происхождение неопределенности по большей части связано с тем фактом, что ученые обязательно всегда «подталкивали» вирусы. Так как мы ограничены пробами, взятыми в недавнее (по меркам эволюции) время, то мы измеряем длину лишь концевых ветвей эволюционного дерева, а затем экстраполируем данные до самых старых внутренних ветвей. Этот процесс чреват многими неопределенностями. Оценки скорости всегда имеют тенденцию к ее увеличению, если измерения выполняют в настоящее время (на самых кончиках ветвей). Оценки, при выполнении которых принимают в расчет более длительные периоды, прошедшие со времени взятия проб, и измеряют некоторые более зрелые ветви эволюционного дерева, показывают прогрессирующее замедление эволюционных изменений. На эти пристрастия сильнее всего влияют два фактора: очищающий естественный отбор и насыщение замещения. Когда сравнивают геномы современных вирусов, скорость замен нуклеотидов – частота, с которой в популяции происходят мутации, – переоценивают. Это есть мера сочетания частоты мутаций и скорости появления замен нуклеотидов, так как некоторые вредоносные мутации не успевают за время наблюдения подвергнуться воздействию очищающего отбора. Мало того, ограничения, наложенные на минималистские РНК-геномы, отводят значимую роль очищающему отбору; действительно, может быть очень немного сайтов генома, обладающих достаточной гибкостью для того, чтобы позволить себе несинонимические изменения в то время, когда большая часть генома эволюционирует чрезвычайно медленно. Мутационное насыщение в некоторых позициях генома может стать значимым и систематическим стимулом, порождающим предвзятость в отношении кратковременных и долговременных скоростей появления мутаций. Разумно было бы ожидать, что те нуклеотидные позиции в геноме, которые обладают достаточной гибкостью для осуществления изменений, могут замещаться повторно и не один раз. Несмотря на то что эти события умещаются на небольшом отрезке измерения числа нуклеотидных замен, за долгий период, когда могут происходить повторные замены, наблюдение, как правило, выполняют только один раз.

Есть, однако, веские основания верить своим глазам, когда биологические наблюдения говорят нам, что кодивергенция и коэволюция вирусов в организмах хозяев являются скорее правилом, чем исключением. Два примера из недавно опубликованных работ подтверждают этот взгляд и показывают ограниченность метода молекулярных часов.